EP3469688B1 - Elektrische maschine mit teilwicklungen und reluktanzmoment - Google Patents

Elektrische maschine mit teilwicklungen und reluktanzmoment Download PDF

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EP3469688B1
EP3469688B1 EP17749154.5A EP17749154A EP3469688B1 EP 3469688 B1 EP3469688 B1 EP 3469688B1 EP 17749154 A EP17749154 A EP 17749154A EP 3469688 B1 EP3469688 B1 EP 3469688B1
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EP
European Patent Office
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partial winding
winding
partial
strands
rotor
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Marco CERNY
Michael Müller
Frank Rettinger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
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    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
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    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine with a stator and a rotor, the stator having a polyphase winding with a first partial winding and a second partial winding, the second partial winding having a plurality of second partial winding phases, which are connected in a polygon circuit, and the first Partial winding has a plurality of partial winding phases which are connected in a star connection or are connected in a star-like manner to the polygonal connection of the second partial winding phases.
  • the electrical machine comprises a stator and a rotor which can be moved relative to the stator.
  • the stator has a winding or motor winding, which in turn can comprise several strands. Each strand can be assigned to a phase.
  • the stator has a plurality of slots into which parts of the winding are introduced.
  • the EP 0 557 809 B1 a polyphase winding for an electrical machine, which has a first winding part, whose partial winding branches or partial winding phases are connected in polygons, and a second winding branch, whose winding branches are each arranged out of phase by an electrical angle and connected in a star-like manner to the first winding part.
  • the number of winding branches of both winding parts corresponds to the number of phases.
  • Such a winding can reduce disturbing flow harmonics, harmonic currents and parasitic effects such as pendulum torques, magnetic noises or additional losses.
  • the DE 10 2013 103 665 A1 an electrical machine comprising a stator and a rotor which is movable relative to the stator and has a number of pole pairs p.
  • the stator comprises a first multi-strand winding and at least one second multi-strand winding, the first multi-strand winding including a first and a second partial winding which are mechanically displaced with respect to one another.
  • the second multi-strand winding comprises a first and a second partial winding which are mechanically displaced with respect to one another.
  • a number of turns of the first partial winding of a multi-strand winding is different from a number of turns of the second partial winding of this multi-strand winding.
  • the rotor of the electrical machine can be a permanent magnet rotor, a rotor with buried magnets or a synchronous reluctance rotor.
  • the object of the present invention is to provide a solution for how an electrical machine with several winding branches or winding phases can be operated more efficiently.
  • An electrical machine comprises a stator and a rotor.
  • the stator has a polyphase winding with a first partial winding and a second partial winding.
  • the second partial winding has a plurality of second partial winding phases which are connected in a polygonal connection.
  • the first partial winding has a plurality of first partial winding phases which are connected in a star connection or are connected in a star-like manner to the polygonal connection of the second partial winding phases.
  • the electrical machine is designed such that a torque acting on the rotor is at least partially caused by a reluctance force.
  • each of the first partial winding strands comprises a plurality of parallel branches and each of the second partial winding strands comprises several parallel branches, a number of turns in the first partial winding strands being identical and a number of turns in the second partial winding strands being identical.
  • the electric machine can be used, for example, as a drive in an electric vehicle.
  • the electrical machine with a specific number of pole pairs comprises the stator and the rotor, which can be moved or rotated relative to the stator.
  • the stator can for example comprise a stator carrier which is formed from an electrical sheet.
  • the stator or the stator carrier can have a plurality of grooves, which each extend essentially along the radial direction of the stator or the electrical machine.
  • the stator can have a winding or motor winding, parts of the winding being introduced into the slots of the stator.
  • the number of slots that are wound per pole and strand is known as the number of holes.
  • the winding is designed for operation on an m-phase three-phase system.
  • the winding consists of the first partial winding and the second partial winding.
  • the first partial winding is made up of m first partial winding strands and the second partial winding is also made up of m second partial winding strands.
  • a distinction is also made between the first number of holes for the first partial winding and the second number of holes for the second partial winding.
  • the sum of the first number of holes in the first partial winding and the second number of holes in the second partial winding results in the number of holes per pole and strand, with the number of holes per pole and strand being greater than or equal to two for feasibility.
  • the winding of the stator is formed by connecting the first partial winding to the second partial winding, which can be done in two different variants.
  • the second partial winding phases of the second partial winding are connected to one another in a polygonal connection and in particular in a delta connection.
  • the first variant is characterized by the polygon circuit made up of the second partial winding strands, the ends of the respective first partial winding strands being connected to the respective second partial winding beginnings or partial winding ends which form the polygonal circuit.
  • the second variant is characterized by the polygon circuit made up of the second partial winding strands, the first partial winding strands being connected in a star.
  • the m-phase three-phase system is connected to the beginning of the first and second partial winding phases.
  • the respective first partial winding phases are electrically connected to one another at a star point.
  • Such a design of the winding can reduce harmonics.
  • the power factor and the efficiency can be increased.
  • the electrical machine is designed such that a torque acting on the rotor is at least partially caused by a reluctance force.
  • it is an electrical machine with a reluctance torque.
  • the Torque of the motor through targeted magnetic anisotropy in the rotor lamination section, is generated exclusively by the reluctance force and not by the field components from permanent magnets or excitation windings.
  • the electrical machine has a significant reluctance torque. This means that a large part of the torque of the rotor is caused by the reluctance force and not by the field components from permanent magnets or excitation windings.
  • Tests have shown that a winding in which the first partial winding phases are connected in a star connection or are connected in a star-like manner to the polygonal connection of the second partial winding phases and second partial winding phases are connected in a polygonal or triangular connection can advantageously be used in electrical machines with reluctance torque.
  • Tests have shown that the winding factor of the fundamental wave is about 3% larger.
  • local saturations in the stator and rotor can be reduced. In particular, there is less cross saturation along the d-axis and the q-axis in the magnetic path. Better magnetic conductivity can thus be achieved. This means that an approx. 4 to 5% higher torque can be achieved with the electric machine.
  • an electric machine can be provided which can be operated more efficiently.
  • each of the first partial winding strands comprises a plurality of parallel branches and each of the second partial winding strands comprises a plurality of parallel branches.
  • Each of the first partial winding strands is made up of several parallel branches in order to represent the necessary first number of windings, the number of windings in the first m partial winding strands being identical.
  • Each of the second partial winding strands is made up of several parallel branches in order to represent the necessary second number of windings, the number of windings in the second m partial winding strands being identical.
  • the number of parallel branches within the first and second partial winding strands can be both the same and different, provided that this is an optimal ratio can be displayed from the first number of turns to the second number of turns.
  • the first partial winding has a plurality of first coils, a respective number of turns of the first coils being the same
  • the second partial winding has a plurality of second coils, a respective number of turns of the second coils being the same.
  • each coil of the first partial winding has the same number of turns and each coil of the second partial winding has the same number of turns. This enables simple manufacture of the winding.
  • the respective number of turns of the first coils differs from the respective number of turns of the second coils.
  • the number of turns of the first coils of the first partial winding and the number of turns of the second coils of the second partial winding therefore differ. Such a configuration of the winding enables efficient operation of the electrical machine.
  • the electrical machine is preferably designed as a synchronous reluctance machine or as a permanent magnet synchronous machine with magnets buried in the rotor.
  • the electrical machine can be designed as a synchronous reluctance motor.
  • the rotor has no permanent magnets and no electrical winding.
  • the rotor is made of a highly permeable, magnetically soft material, for example an electrical sheet, which has pronounced poles.
  • the electrical machine can be designed as a synchronous machine in which the rotor has buried magnets.
  • the rotor which is formed, for example, from an electrical sheet, can have corresponding recesses into which permanent magnets are introduced. An electrical machine with reluctance torque can thus be provided in a simple and reliable manner.
  • the first partial winding and the second partial winding are connected in a star-like manner.
  • the respective coil ends of the first partial winding strands of the first partial winding and the respective coil ends or coil beginnings of the second partial winding strands of the second partial winding can therefore be electrically connected.
  • the respective first partial winding phases of the first partial winding and the respective second partial winding phases of the second partial winding can therefore be connected electrically in series. In this way, an increase in the torque of the electrical machine can be achieved.
  • adjacent second partial winding strands are each electrically connected at connection points and one of the first partial winding strands is electrically connected to one of the connection points and to a connecting terminal.
  • the second partial winding phases can be connected to one another in a polygon circuit or a delta circuit.
  • the respective second partial winding phases are electrically connected to one another at connection points.
  • Each of the first partial winding strands is electrically connected to a partial winding end with a connection point and with a partial winding beginning to a connecting terminal. The winding can then be supplied at the connection terminals.
  • first partial winding and the second partial winding are connected electrically in parallel. This means that the respective first partial winding strands and the respective second partial winding strands are connected directly to the connection terminals. An increase in the torque of the electrical machine can also be achieved with such an interconnection of the partial winding or partial winding phases.
  • adjacent second partial winding strands are each electrically connected at connection points and each one of the first partial winding strands are electrically connected to one of the connection points and to a star point of the first partial winding phases.
  • the second partial winding phases are connected to one another in a polygon or triangle connection at respective connection points.
  • the respective first partial winding phases are electrically connected to one another on the one hand with the star point and on the other hand with one of the connection points. This enables simple interconnection of the partial winding phases.
  • the stator has a plurality of slots with an even number and a number of slots in which the first partial winding is arranged corresponds to a number of slots in which the second partial winding is arranged.
  • the first number of holes for the first partial winding and the second number of holes for the second partial winding are therefore identical. In this way, a uniform field distribution in the air gap can be achieved. This enables an effective attenuation of harmonics.
  • the stator has a plurality of slots with an odd number and a number of slots in which the first partial winding is arranged differs from a number of slots in which the second partial winding is arranged by one slot.
  • the number of slots in which the first partial winding is arranged can be higher or lower than the number of slots in which the second partial winding is arranged. This means that the first number of holes for the first partial winding and the second number of holes for the second partial winding differ by one. In this way, even with an odd number of holes per pole and strand, the most uniform possible field distribution in the air gap can be made possible.
  • FIG 1 shows an electrical machine 1 in a sectional side view.
  • the electrical machine 1 is designed for operation on a 3-phase network.
  • the electrical machine 1 comprises a stator 2 and a rotor 3 which can be rotated relative to the stator 2.
  • the stator 2 comprises a stator body 4 which can be formed from electrical sheet metal, for example.
  • the stator 2 further includes a plurality of slots 5 which extend along a radial direction of the electrical machine 1 extend.
  • the rotor 3 comprises a rotor body 6, which can also be formed from an electrical sheet.
  • the rotor 3 comprises a plurality of permanent magnets 7 which are arranged buried in the rotor. This means that the electrical steel sheet or the rotor body 6 can have corresponding recesses into which the permanent magnets 7 are introduced.
  • a torque acting on the rotor 3 is at least partially caused by a reluctance force. This is represented by targeted magnetic anisotropy in the rotor lamination section or by a difference in the magnetic conductance values between the d-axis and q-axis.
  • the electrical machine 1 is designed as a synchronous reluctance machine.
  • FIG 2 a schematic representation of a rotor 3 of a reluctance machine.
  • the rotor 3 comprises magnetic flux barriers 10 and magnetic guide surfaces 11.
  • FIG 3 shows a circuit diagram of a winding 8 of the electrical machine 1 according to a first embodiment.
  • the winding 8 comprises a first partial winding TW1 and a second partial winding TW2.
  • the first partial winding TW1 and the second partial winding TW2 are connected to one another in series.
  • the first partial winding TW1 comprises several first partial winding strands T1.
  • the first partial winding TW1 comprises three first partial winding strands T1.
  • the second partial winding TW2 comprises a plurality of second partial winding phases T2.
  • the second partial winding TW2 comprises three second partial winding strands T2.
  • the first partial winding strands T1 are connected in a star-like manner to a polygonal circuit of the second partial winding strands T2. For this reason, this variant is also referred to as a series connection.
  • a first partial winding phase T1 is connected on the one hand to its respective partial winding phase ends y1, x1, z1 at one of the connection points P1, P2, P3 and with one partial winding phase beginning u1, v1, w1 at a connection terminal L1, L2 or L3.
  • FIG 4 shows a 4-pole arrangement of the winding 8 of the partial winding TW1 in the respective slots 5 with the respective partial winding phase beginnings u1, w1, v1 and partial winding phase ends x1, y1, z1.
  • FIG 5 shows a circuit diagram of the winding 8 according to a further embodiment.
  • the first partial winding TW1 and the second partial winding TW2 are connected in parallel.
  • the second partial winding strands T2 are here also connected to one another in a polygonal connection, adjacent second partial winding strands T2 each being connected to one of the connection points P1, P2 and P3.
  • the respective connection points P1, P2 and P3 are connected to the respective connection terminals L1, L2 and L3.
  • the respective first partial winding phases T1 are connected to one another in a star connection.
  • the first partial winding phases T1 are connected to a star point S and on the other hand to one of the connection points P1, P2 or P3.
  • FIG 6 shows the 4-pole arrangement of the winding 8 of the partial winding TW2 in the respective slots 5 with the respective partial winding phase beginnings u2, w2, v2 and partial winding phase ends x2, y2, z2.
  • the inner circuit diagram of the partial winding TW1 according to FIG 4 and the inner circuit diagram of the partial winding TW2 according to FIG 6 apply to the interconnection of winding 8 FIG 3 as well as for the connection of the winding 8 according to FIG 5 .
  • the electrical machine 1 has the number of pole pairs p.
  • the number of grooves 5 that is wound per pole and strand is known as the number of holes q.
  • the sum of the first number of holes qTW1 of the first partial winding TW1 and the second number of holes qTW2 of the second partial winding TW2 results in the number of holes q per pole and strand, the number of holes q having to be greater than or equal to two to be feasible.
  • the first number of holes qTW1 for the first partial winding TW1 and the second number of holes qTW2 for the second partial winding TW1 can be identical. This applies to an even number of grooves 5.
  • the first number of holes qTW1 and the second number of holes qTW2 can differ by one. This applies to an odd number of slots 5.
  • each of the first partial winding strands T1 can comprise a plurality of parallel branches and each of the second partial winding strands T2 can comprise a plurality of parallel branches.
  • Each of the first partial winding strands can be constructed from several parallel branches aTW1 in order to represent the necessary first number of windings wTW1, the number of windings in the first m partial winding strands T1 being identical.
  • Each of the second partial winding strands T2 can be constructed from several parallel branches aTW2 in order to represent the necessary second number of windings aTW2, the number of turns in the second m partial winding strands T2 being identical.
  • the magnetic conductivity in the rotor 3 can thus be increased.
  • the torque of the electrical machine 1 can be increased. This applies both to the case that the first partial winding TW1 and the second partial winding TW2 are connected in series and also to the case that the first partial winding TW1 and the second partial winding TW2 are connected in parallel.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator eine mehrphasige Wicklung mit einer ersten Teilwicklung und einer zweiten Teilwicklung aufweist, wobei die zweite Teilwicklung eine Mehrzahl von zweiten Teilwicklungssträngen aufweist, welche in Polygonschaltung verbunden sind, und die erste Teilwicklung eine Mehrzahl von Teilwicklungssträngen aufweist, welche in Sternschaltung verbunden sind oder sternartig mit der Polygonschaltung der zweiten Teilwicklungsstränge verbunden sind.
  • Das Interesse richtet sich vorliegend auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antrieb in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden können. Bei solchen elektrischen Maschinen ist es erforderlich, dass ein hoher Wirkungsgrad bereitgestellt wird, um einen effizienten Betrieb des Elektrofahrzeugs zu ermöglichen. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor, welcher relativ zu dem Stator bewegt werden kann. Der Stator weist eine Wicklung bzw. Motorwicklung auf, welche wiederum mehrere Stränge umfassen kann. Dabei kann jeder Strang einer Phase zugeordnet sein. Des Weiteren weist der Stator eine Mehrzahl von Nuten auf, in welche Teile der Wicklung eingebracht sind.
  • Aus dem Stand der Technik sind Ausführungen bekannt, bei denen die Motorwicklung sechssträngig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine sechs Anschlussleitungen aufweist, wobei die jeweilige Phasenverschiebung zwischen den Anschlussleitungen 60° beträgt. Somit kann eine Feldverteilung in dem Luftspalt erreicht werden, welche einer Sinusform ähnelt. Dies führt insbesondere dazu, dass die fünfte und die siebte Oberwelle gedämpft werden. Darüber hinaus wird der Grundwellenwicklungsfaktor im Vergleich zu einer dreisträngigen Wicklung um ca. 3% erhöht. Dies führt zu einer Verbesserung des Verhältnisses von Drehmomentzustrom und damit zu einer Erhöhung des Leistungsfaktors und des Wirkungsgrades.
  • In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 0 557 809 B1 eine mehrphasige Wicklung für eine elektrische Maschine, welche einen ersten Wicklungsteil, dessen Teilwicklungszweige bzw. Teilwicklungsstränge in Polygon geschaltet sind, sowie einen zweiten Wicklungszweig, dessen Wicklungszweige jeweils um einen elektrischen Winkel phasenversetzt angeordnet und sternartig an den ersten Wicklungsteil angeschlossen sind. Dabei entspricht die Zahl der Wicklungszweige beider Wicklungsteile jeweils der Phasenzahl. Durch eine derartige Wicklung können störende Durchflutungsoberwellen, Oberschwingungsströme und parasitäre Effekte, wie beispielsweise Pendelmomente, magnetische Geräusche oder Zusatzverluste, verringert werden.
  • Des Weiteren beschreibt die DE 10 2013 103 665 A1 eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, der eine Polpaarzahl p aufweist. Der Stator umfasst eine erste mehrsträngige Wicklung und zumindest eine zweite mehrsträngige Wicklung, wobei die erste mehrsträngige Wicklung eine erste und eine zweite Teilwicklung umfasst, die zueinander mechanisch verschoben sind. Die zweite mehrsträngige Wicklung umfasst eine erste und eine zweite Teilwicklung umfasst, die zueinander mechanisch verschoben sind. In einer Nut des Stators ist jeweils eine Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung einer mehrsträngigen Wicklung verschieden von einer Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung dieser mehrsträngigen Wicklung. Der Rotor der elektrischen Maschine kann ein Permanentmagnetrotor, ein Rotor mit vergrabenen Magneten oder ein Synchron-Reluktanzrotor sein.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine elektrische Maschine mit mehreren Wicklungszweigen bzw. Wicklungssträngen effizienter betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Dabei weist der Stator eine mehrphasige Wicklung mit einer ersten Teilwicklung und einer zweiten Teilwicklung auf. Die zweite Teilwicklung weist eine Mehrzahl von zweiten Teilwicklungssträngen auf, welche in Polygonschaltung verbunden sind. Die erste Teilwicklung weist eine Mehrzahl von ersten Teilwicklungssträngen auf, welche in Sternschaltung verbunden sind oder sternartig mit der Polygonschaltung der zweiten Teilwicklungsstränge verbunden ist. Dabei ist die elektrische Maschine derart ausgebildet, dass ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment zumindest teilweise von einer Reluktanzkraft bewirkt ist. Zudem umfasst jeder der ersten Teilwicklungsstränge mehrere parallele Zweige und jeder der zweiten Teilwicklungsstränge umfasst mehrere parallele Zweige, wobei eine Windungszahl in den ersten Teilwicklungssträngen identisch ist und eine Windungszahl in den zweiten Teilwicklungssträngen identisch ist.
  • Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Antrieb in einem Elektrofahrzeug verwendet werden. Die elektrische Maschine mit einer bestimmten Polpaarzahl umfasst den Stator und den Rotor, welcher relativ zu dem Stator bewegt bzw. gedreht werden kann. Der Stator kann beispielsweise einen Statorträger umfassen, welcher aus einem Elektroblech gebildet ist. Der Stator bzw. der Statorträger kann eine Mehrzahl von Nuten aufweisen, welche sich jeweils im Wesentlichen entlang der radialen Richtung des Stators bzw. der elektrischen Maschine erstrecken. Ferner kann der Stator eine Wicklung bzw. Motorwicklung aufweisen, wobei Teile der Wicklung in die Nuten des Stators eingebracht sind. Die Anzahl der Nuten die pro Pol und Strang bewickelt wird, ist als Lochzahl bekannt. Die Wicklung ist zum Betrieb an einem m-phasigen Drehstromsystem ausgebildet. Die Wicklung besteht aus der ersten Teilwicklung und der zweiten Teilwicklung. Die erste Teilwicklung ist jeweils aus m ersten Teilwicklungssträngen aufgebaut und die zweite Teilwicklung ist ebenso aus m zweiten Teilwicklungssträngen aufgebaut. Ferner wird auch die erste Lochzahl für die erste Teilwicklung und die zweite Lochzahl für die zweite Teilwicklung unterschieden. Die Summe von erster Lochzahl der ersten Teilwicklung und zweiter Lochzahl der zweiten Teilwicklung ergibt die Lochzahl pro Pol und Strang, wobei die Lochzahl pro Pol und Strang zur Ausführbarkeit größer oder gleich zwei ist.
  • Die Wicklung des Stators wird durch das Verbinden der ersten Teilwicklung mit der zweiten Teilwicklung gebildet, wobei dies durch zwei unterschiedliche Varianten vorgenommen werden kann. Die zweiten Teilwicklungsstränge der zweiten Teilwicklung sind in Polygonschaltung und insbesondere in Dreieckschaltung miteinander verbunden. Die erste Variante ist durch die Polygonschaltung aus den zweiten Teilwicklungssträngen gekennzeichnet, wobei die Enden der jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge mit den jeweiligen zweiten Teilwicklungsanfängen bzw. Teilwicklungsenden verbunden sind, welche die Polygonschaltung bilden. Die zweite Variante ist die Polygonschaltung aus den zweiten Teilwicklungssträngen gekennzeichnet, wobei die ersten Teilwicklungsstränge in Stern geschalten sind. An den Anfängen der ersten und zweiten Teilwicklungsstränge wird das m-phasige Drehstromsystem angeschlossen. Hier sind die jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge in einem Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Durch eine derartige Ausgestaltung der Wicklung können Oberwellen reduziert werden. Zudem kann der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad erhöht werden.
  • Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine derart ausgebildet ist, dass ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment zumindest teilweise von einer Reluktanzkraft bewirkt ist. Mit anderen Worten handelt es sich um eine elektrische Maschine mit einem Reluktanzmoment. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Drehmoment des Motors, durch gezielte magnetische Anisotropie im Rotorblechschnitt, ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird und nicht durch die Feldanteile aus Permanentmagneten oder Erregerwicklungen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine ein signifikantes Reluktanzdrehmoment aufweist. Dies bedeutet, dass ein Großteil des Drehmoments des Rotors durch die Reluktanzkraft bewirkt ist und nicht durch die Feldanteile aus Permanentmagneten oder Erregerwicklungen. Versuche haben gezeigt, dass eine Wicklung, bei der erste Teilwicklungsstränge in Sternschaltung verbunden sind bzw. sternartig mit der Polygonschaltung der zweiten Teilwicklungsstränge verbunden sind und zweite Teilwicklungsstränge in Polygon- bzw. Dreieckschaltung verbunden sind, vorteilhaft in elektrischen Maschinen mit Reluktanzdrehmoment verwendet werden können. Hierbei haben Versuche gezeigt, dass der Wicklungsfaktor der Grundwelle um ca. 3% größer ist. Ferner können lokale Sättigungen in Stator und Rotor reduziert werden. Insbesondere ergibt sich eine geringere Kreuzsättigung entlang der d-Achse und der q-Achse im magnetischen Pfad. Somit kann eine bessere magnetische Leitfähigkeit erreicht werden. Dies führt dazu, dass ein ca. 4 bis 5% höheres Drehmoment mit der elektrischen Maschine erreicht werden kann. Somit kann eine elektrische Maschine bereitgestellt werden, die effizienter betrieben werden kann.
  • Zudem umfasst jeder der ersten Teilwicklungsstränge mehrere parallele Zweige und jeder der zweiten Teilwicklungsstränge umfasst mehrere parallele Zweige. Jeder der ersten Teilwicklungsstränge ist aus mehreren parallelen Zweigen aufgebaut, um die notwendige erste Strangwindungszahl darzustellen, wobei die Windungszahl in den ersten m Teilwicklungssträngen identisch ist. Jeder der zweiten Teilwicklungsstränge ist aus mehreren parallelen Zweigen aufgebaut, um die notwendige zweite Strangwindungszahl darzustellen, wobei die Windungszahl in den zweiten m Teilwicklungssträngen identisch ist. Die Anzahl der parallelen Zweige innerhalb der ersten und zweiten Teilwicklungsstränge können sowohl gleich als auch unterschiedlich sein, sofern hiermit ein optimales Verhältnis von erster Teilwicklungswindungszahl zu zweiter Teilwicklungswindungszahl dargestellt werden kann.
  • Ferner weist die erste Teilwicklung eine Mehrzahl von ersten Spulen auf, wobei eine jeweilige Windungszahl der ersten Spulen gleich ist, und die zweite Teilwicklung weist eine Mehrzahl von zweiten Spulen auf, wobei eine jeweilige Windungszahl der zweiten Spulen gleich ist. Mit anderen Worten weist jede Spule der ersten Teilwicklung die gleiche Windungszahl auf und jede Spule der zweiten Teilwicklung weist die gleiche Windungszahl auf. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Wicklung.
  • Darüber hinaus unterscheidet sich die jeweilige Windungszahl der ersten Spulen von der jeweiligen Windungszahl der zweiten Spulen. Die Windungszahl der ersten Spulen der ersten Teilwicklung und die Windungszahl der zweiten Spulen der zweiten Teilwicklung unterscheiden sich also. Durch eine derartige Ausgestaltung der Wicklung kann ein effizienter Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht werden.
  • Bevorzugt ist die elektrische Maschine als synchrone Reluktanzmaschine oder als permanenterregte Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten im Rotor ausgebildet. Beispielsweise kann die elektrische Maschine als Synchron-Reluktanzmotor ausgebildet sein. Hierbei weist der Rotor keine Permanentmagnete und keine elektrische Wicklung auf. Der Rotor ist in diesem Fall aus einem hochpermeablen, weichmagnetischen Material, beispielsweise einem Elektroblech, gebildet, welches ausgeprägte Pole besitzt. Alternativ dazu kann die elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgebildet sein, bei welcher der Rotor vergrabene Magnete aufweist. Hierzu kann der Rotor, der beispielsweise aus einem Elektroblech gebildet ist, entsprechende Ausnehmungen aufweisen, in welche Permanentmagnete eingebracht sind. Somit kann auf einfache und zuverlässige Weise eine elektrische Maschine mit Reluktanzdrehmoment bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung sternartig geschaltet. Die jeweiligen Spulenenden der ersten Teilwicklungsstränge der ersten Teilwicklung und die jeweiligen Spulenenden bzw. Spulenanfänge der zweiten Teilwicklungsstränge der zweiten Teilwicklung können also elektrisch verbunden sein. Die jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge der ersten Teilwicklung und die jeweiligen zweiten Teilwicklungsstränge der zweiten Teilwicklung können also elektrisch in Serie geschaltet sein. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Drehmoments der elektrischen Maschine erreicht werden.
  • Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass benachbarte zweite Teilwicklungsstränge jeweils an Verbindungspunkten elektrisch verbunden sind und jeweils einer der ersten Teilwicklungsstränge mit einem der Verbindungspunkte und mit einer Anschlussklemme elektrisch verbunden ist. Die zweiten Teilwicklungsstränge können in Polygonschaltung bzw. Dreieckschaltung miteinander verbunden sein. Dabei sind die jeweiligen zweiten Teilwicklungsstränge an Verbindungspunkten elektrisch miteinander verbunden. Jeder der ersten Teilwicklungsstränge ist einem Teilwicklungsende mit einem Verbindungspunkt und mit einem Teilwicklungsanfang mit einer Anschlussklemme elektrisch verbunden. An den Anschlussklemmen kann dann die Wicklung versorgt werden.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung elektrisch parallel geschaltet. Dies bedeutet, dass die jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge und die jeweiligen zweiten Teilwicklungsstränge direkt mit den Anschlussklemmen verbunden sind. Auch mit einer derartigen Verschaltung der Teilwicklung bzw. Teilwicklungsstränge kann eine Erhöhung des Drehmoments der elektrischen Maschine erreicht werden.
  • Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass benachbarte zweite Teilwicklungsstränge jeweils an Verbindungspunkten elektrisch verbunden sind und jeweils einer der ersten Teilwicklungsstränge mit einem der Verbindungspunkte und mit einem Sternpunkt der ersten Teilwicklungsstränge elektrisch verbunden sind. Die zweiten Teilwicklungsstränge sind in Polygonschaltung oder Dreieckschaltung miteinander an jeweiligen Verbindungspunkten verbunden. Die jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge sind einerseits mit dem Sternpunkt und andererseits mit einem der Verbindungspunkte elektrisch miteinander verbunden. Dies ermöglicht eine einfache Verschaltung der Teilwicklungsstränge.
  • Gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform weist der Stator eine Mehrzahl von Nuten mit einer geraden Anzahl auf und eine Anzahl von Nuten, in denen die erste Teilwicklung angeordnet ist, entspricht einer Anzahl von Nuten, in denen die zweite Teilwicklung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Aufteilung der Nuten auf die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung gleich ist, wenn die Lochzahl geradzahlig ist. Damit sind die erste Lochzahl für die erste Teilwicklung und die zweite Lochzahl für die zweite Teilwicklung identisch. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Feldverteilung im Luftspalt erreicht werden. Dies ermöglicht eine effektive Dämpfung von Oberwellen.
  • Zudem weist der Stator eine Mehrzahl von Nuten mit einer ungeraden Anzahl auf und eine Anzahl von Nuten, in denen die erste Teilwicklung angeordnet ist, unterscheidet sich von einer Anzahl von Nuten, in denen die zweite Teilwicklung angeordnet ist, um eine Nut. Bei einer ungeradzahligen Lochzahl kann die Anzahl der Nuten, in denen die erste Teilwicklung angeordnet ist um meine Nut höher oder niedriger sein als die Anzahl der Nuten, in denen die zweite Teilwicklung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass sich die erste Lochzahl für die erste Teilwicklung und die zweite Lochzahl für die zweite Teilwicklung um eins unterscheiden. Somit kann auch bei einer ungeradzahligen Lochzahl pro Pol und Strang eine möglichst gleichmäßige Feldverteilung im Luftspalt ermöglicht werden.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine in einer geschnittenen Seitenansicht;
    FIG 2
    eine schematische Darstellung eines Rotorblechschnittes eines Synchronreluktanzmotors;
    FIG 3
    eine Verschaltung von ersten Teilwicklungen und zweiten Teilwicklungen einer Wicklung der elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
    FIG 4
    ein inneres Schaltbild der ersten Teilwicklung;
    FIG 5
    eine Verschaltung der ersten Teilwicklung zweiten Teilwicklungen gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
    FIG 6
    ein inneres Schaltbild der zweiten Teilwicklung.
  • In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • FIG 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 in einer geschnittenen Seitenansicht. Die elektrische Maschine 1 ist zum Betrieb an einem 3-phasigen Netz ausgebildet. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Rotor 3, der relativ zum Stator 2 drehbar ist. Der Stator 2 umfasst einen Statorkörper 4 welcher beispielsweise aus einem Elektroblech gebildet sein kann. Der Stator 2 umfasst ferner eine Mehrzahl von Nuten 5, welche sich entlang einer radialen Richtung der elektrischen Maschine 1 erstrecken. Der Rotor 3 umfasst einen Rotorkörper 6, welcher ebenfalls aus einem Elektroblech gebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst der Rotor 3 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 7, welche vergraben in dem Rotor angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das Elektroblech bzw. der Rotorkörper 6 entsprechende Ausnehmungen aufweisen kann, in welche die Permanentmagneten 7 eingebracht sind.
  • Bei der elektrischen Maschine 1 wird ein auf den Rotor 3 wirkendes Drehmoment zumindest teilweise von einer Reluktanzkraft bewirkt. Dies wird durch gezielte magnetische Anisotropie im Rotorblechschnitt bzw. durch einen Unterschied in den magnetischen Leitwerten zwischen d-Achse und q-Achse dargestellt.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine 1 als synchrone Reluktanzmaschine ausgebildet ist. Hierzu zeigt FIG 2 eine schematische Darstellung eines Rotors 3 einer Reluktanzmaschine. Der Rotor 3 umfasst magnetische Flusssperren 10 sowie magnetische Leitflächen 11.
  • FIG 3 zeigt ein Schaltbild einer Wicklung 8 der elektrischen Maschine 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Wicklung 8 umfasst eine erste Teilwicklung TW1 und eine zweite Teilwicklung TW2. Vorliegend sind die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Teilwicklung TW2 seriell miteinander verbunden. Die erste Teilwicklung TW1 umfasst mehrere erste Teilwicklungsstränge T1. Vorliegend umfasst die erste Teilwicklung TW1 drei erste Teilwicklungsstränge T1. Ferner umfasst die zweite Teilwicklung TW2 eine Mehrzahl von zweiten Teilwicklungssträngen T2. Vorliegend umfasst die zweite Teilwicklung TW2 drei zweite Teilwicklungsstränge T2.
  • Dabei sind die ersten Teilwicklungssträngen T1 sternartig mit einer Polygonschaltung der zweiten Teilwicklungsstränge T2 verbunden. Aus diesem Grund wird diese Variante auch als Serienschaltung bezeichnet. Dabei sind jeweils zwei zweite Teilwicklungsstränge T2 mit den jeweiligen Teilwicklungsstranganfängen u2, w2, v2 und Teilwicklungsstrangenden y2, x2, z2 an jeweiligen Verbindungspunkten P1, P3 und P3 miteinander verbunden. Jeweils ein erster Teilwicklungsstrang T1 ist einerseits mit seinem jeweiligen Teilwicklungsstrangenden y1, x1, z1 an einem der Verbindungspunkte P1, P2, P3 und mit jeweils einem Teilwicklungsstranganfängen u1, v1, w1 an einer Anschlussklemme L1, L2 oder L3 verbunden.
  • FIG 4 zeigt eine 4-polige Anordnung der Wicklung 8 der Teilwicklung TW1 in den jeweiligen Nuten 5 mit den jeweiligen Teilwicklungsstranganfängen u1, w1, v1 und Teilwicklungsstrangenden x1, y1, z1.
  • FIG 5 zeigt ein Schaltbild der Wicklung 8 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei sind die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Teilwicklung TW2 parallel geschaltet. Die zweiten Teilwicklungsstränge T2 sind hier ebenfalls in Polygonschaltung miteinander verbunden, wobei benachbarte zweite Teilwicklungsstränge T2 jeweils mit einem der Verbindungspunkte P1, P2 und P3 verbunden sind. Ferner sind die jeweiligen Verbindungspunkte P1, P2 und P3 mit den jeweiligen Anschlussklemmen L1, L2 und L3 verbunden. Die jeweiligen ersten Teilwicklungsstränge T1 sind in Sternschaltung miteinander verbunden. Einerseits sind die ersten Teilwicklungsstränge T1 mit einem Sternpunkt S und andererseits mit einem der Verbindungspunkte P1, P2 oder P3 verbunden.
  • FIG 6 zeigt die 4-polige Anordnung der Wicklung 8 der Teilwicklung TW2 in den jeweiligen Nuten 5 mit den jeweiligen Teilwicklungsstranganfängen u2, w2, v2 und Teilwicklungsstrangenden x2, y2, z2.
  • Das innere Schaltbild der Teilwicklung TW1 gemäß FIG 4 und das innere Schaltbild der Teilwicklung TW2 gemäß FIG 6 gelten sowohl für die Verschaltung der Wicklung 8 nach FIG 3 als auch für die Verschaltung der Wicklung 8 nach FIG 5.
  • Die elektrische Maschine 1 weist die Polpaarzahl p auf. Die Anzahl der Nuten 5, die pro Pol und Strang bewickelt wird, ist als Lochzahl q bekannt. Dabei wird auch die erste Lochzahl qTW1 für die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Lochzahl qTW2 für die zweite Teilwicklung TW2 unterschieden. Die Summe von erster Lochzahl qTW1 der ersten Teilwicklung TW1 und zweiter Lochzahl qTW2 der zweiten Teilwicklung TW2 ergibt die Lochzahl q pro Pol und Strang, wobei die Lochzahl q zur Ausführbarkeit größer oder gleich zwei sein muss. Dabei kann die erste Lochzahl qTW1 für die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Lochzahl qTW2 für die zweite Teilwicklung TW1 identisch sein. Dies gilt für eine gerade Anzahl an Nuten 5. Alternativ dazu kann sich erste Lochzahl qTW1 und die zweite Lochzahl qTW2 um eins unterscheiden. Dies gilt für eine ungerade Anzahl an Nuten 5.
  • Zudem kann jeder der ersten Teilwicklungsstränge T1 mehrere parallele Zweige umfassen und jeder der zweiten Teilwicklungsstränge T2 kann mehrere parallele Zweige umfassen. Jeder der ersten Teilwicklungsstränge kann aus mehreren parallelen Zweigen aTW1 aufgebaut sein, um die notwendige erste Strangwindungszahl wTW1 darzustellen, wobei die Windungszahl in den ersten m Teilwicklungssträngen T1 identisch ist. Jeder der zweiten Teilwicklungsstränge T2 kann aus mehreren parallelen Zweigen aTW2 aufgebaut sein, um die notwendige zweite Strangwindungszahl aTW2 darzustellen, wobei die Windungszahl in den zweiten m Teilwicklungssträngen T2 identisch ist. Die Anzahl der parallelen Zweige innerhalb der ersten und zweiten Teilwicklungsstränge T1, T2 können sowohl gleich als auch unterschiedlich sein, sofern hiermit ein optimales Verhältnis von erster Teilwicklungswindungszahl zu zweiter Teilwicklungswindungszahl dargestellt werden kann: wTW 1 = zTW 1 * qTW 1 * p / aTW 1 ,
    Figure imgb0001
     wTW 2 = zTW 2 * qTW 2 * p / aTW 2 .
    Figure imgb0002
  • Durch die Ausgestaltung der Wicklung 8 und insbesondere durch die Aufteilung der Wicklung 8 in die Teilwicklungen TW1 und TW2 können lokale Sättigungen in dem Rotor 3 reduziert werden. Damit kann die magnetische Leitfähigkeit in dem Rotor 3 erhöht werden. Dies führt dazu, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine 1 erhöht werden kann. Dies gilt sowohl für den Fall, dass die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Teilwicklung TW2 in Serie geschaltet sind als auch für den Fall, dass die erste Teilwicklung TW1 und die zweite Teilwicklung TW2 parallel geschaltet sind.

Claims (5)

  1. Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Stator (2) eine mehrphasige Wicklung (8) mit einer ersten Teilwicklung (TW1) und einer zweiten Teilwicklung (TW2) aufweist, wobei die zweite Teilwicklung (TW2) eine Mehrzahl von zweiten Teilwicklungssträngen (T2) aufweist, welche in Polygonschaltung verbunden sind, und die erste Teilwicklung (TW1) eine Mehrzahl von ersten Teilwicklungssträngen (T1) aufweist, welche in Sternschaltung oder sternartig mit der Polygonschaltung der zweiten Teilwicklungsstränge (T2) verbunden : sind wobei die elektrische Maschine (1) derart ausgebildet ist, dass ein auf den Rotor (3) wirkendes Drehmoment zumindest teilweise von einer Reluktanzkraft bewirkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ersten Teilwicklungsstränge (T1) mehrere parallele Zweige umfasst und jeder der zweiten Teilwicklungsstränge (T2) mehrere parallele Zweige umfasst, wobei eine Windungszahl in den ersten Teilwicklungssträngen (T1) identisch ist und eine Windungszahl in den zweiten Teilwicklungssträngen (T2) identisch ist, wobei die erste Teilwicklung (TW1) eine Mehrzahl von ersten Spulen (9) aufweist, wobei eine jeweilige Windungszahl der ersten Spulen (9) gleich ist, und die zweite Teilwicklung eine Mehrzahl von zweiten Spulen (9) aufweist, wobei eine jeweilige Windungszahl der zweiten Spulen (9) gleich ist und wobei sich die jeweilige Windungszahl der ersten Spulen (9) von der jeweiligen Windungszahl der zweiten Spulen (9) unterscheidet und wobei der Stator (2) eine Mehrzahl von Nuten (5) mit einer ungeraden Anzahl ausweist und sich eine Anzahl von Nuten (5), in denen die erste Teilwicklung (TW1) angeordnet ist, von einer Anzahl von Nuten (5), in denen die zweite Teilwicklung (TW2) angeordnet ist, um eine Nut (5) unterscheidet.
  2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrische Maschine (1) als synchrone Reluktanzmaschine oder als permanenterregte Synchronmaschine mit vergrabenen Permanentmagneten (7) im Rotor (3) ausgebildet ist.
  3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Teilwicklung (TW1) und die zweite Teilwicklung (TW2) sternartig geschaltet sind, wobei benachbarte zweite Teilwicklungsstränge (T2) jeweils an Verbindungspunkten (P1, P2, P3) elektrisch verbunden sind und jeweils einer der ersten Teilwicklungsstränge (T1) mit einem der Verbindungspunkte (P1,P2,P3) und mit einer Anschlussklemme (L1, L2, L3) elektrisch verbinden ist.
  4. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Teilwicklung (TW1) und die zweite Teilwicklung (TW2) elektrisch parallel geschaltet sind.
  5. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass benachbarte zweite Teilwicklungsstränge (T2) jeweils an Verbindungspunkten (P1,P2, P3) elektrisch verbunden sind und jeweils einer der ersten Teilwicklungsstränge (T1) mit einem der Verbindungspunkte (P1, P2, P3) und mit einem Sternpunkt (S) der ersten Teilwicklungsstränge (T1) elektrisch verbunden ist.
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